專利名稱：改進的多結(jié)點led的制作方法
改進的多結(jié)點LED
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是重要的一類將電能轉(zhuǎn)換成光的固態(tài)器件。這些器件的改進已經(jīng)導致了其在照明設(shè)備上的用途，這些照明設(shè)備被設(shè)計為代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈以及熒光燈光源。這些LED具有明顯更長的壽命，并且在某些情況下，在將電能轉(zhuǎn)換成光的效率方面明顯更高。基于LED的白光源典型地通過將一個或多個藍色LED芯片與合適的黃色以及紅色的熒光粉封裝在一起而進行制造。為了討論，一種LED芯片可視為具有三個層的一種半導體，活性層夾在其他兩和層之間。當來自外層的空穴與電子在該活性層內(nèi)結(jié)合時，該活性層會發(fā)出光。利用使將電流通過該LED芯片來產(chǎn)生這些空穴與電子。該LED芯片透過置于該頂層上的一個電極以及提供至該底層的電連接的一個接觸進行供電。

LED芯片的成本及其功率轉(zhuǎn)換效率是決定這項新技術(shù)取代傳統(tǒng)光源并且運用于高功率應(yīng)用中的速度的重要因素。一個LED芯片的功率轉(zhuǎn)換效率定義為LED芯片在所希望的光譜范圍內(nèi)所發(fā)出的光功率與該光源所消耗的電功率的比率。未轉(zhuǎn)換成光就離開LED的電功率被轉(zhuǎn)換成熱，使LED的溫度上升。這種芯片溫度上升限制了 LED運作的功率水平。此夕卜，LED的轉(zhuǎn)換效率總體上會隨著電流提高而下降，尤其是在使能降低光成本的較高電流密度下；因此當通過提高電流來增加LED的光輸出而提高總光輸出時，電轉(zhuǎn)換效率也會通過這種策略而下降。此外，在高電流運作下LED的壽命也會縮短。即使由大小為高達幾平方毫米的單一 LED芯片所制造的LED光源，也無法產(chǎn)生充足的光來取代許多應(yīng)用中的傳統(tǒng)光源?？傮w而言，LED于特定可接受的功率轉(zhuǎn)換效率下所產(chǎn)生的每單位面積光仍存有限制。這種限制是由于LED材料系統(tǒng)的功率消耗與電轉(zhuǎn)換效率所產(chǎn)生。因此，為了提供一種具更高密度的單一 LED光源，就必須運用大面積芯片；然而，對于大多數(shù)LED芯片而言，尺寸越大，光提取的效率越低，并且用來制造LED芯片的制程也對單一 LED芯片尺寸有所限制。隨著芯片尺寸增加，芯片產(chǎn)量會因為隨機缺陷而降低，因此，一旦芯片尺寸增加超過預(yù)定尺寸,每一 LED芯片成本的增加將超過光輸出的增加。因此，對于許多應(yīng)用而言，LED型光源必須運用多個LED以提供所希望的光輸出。例如，若要取代傳統(tǒng)照明應(yīng)用當中的100瓦白熾燈泡，大約需要25個等級為Imm2的LED芯片。此數(shù)量會隨所要的色溫(color temperature)以及芯片的確切尺寸而改變。典型的GaN LED芯片的驅(qū)動電壓大約是3. 2-3. 6V。若所有LED芯片都并聯(lián)，則DC電源必須在低電壓下提供大電流，這對于AC至DC功率轉(zhuǎn)換效率和必須用于輸送高電流而不在阻抗耗損中消散過多功率的導體的尺寸而言都提出了問題。減少這些問題的一種方法涉及將大體上最佳尺寸的裸片(die)分成多個串聯(lián)的LED區(qū)段，這種結(jié)構(gòu)于2008年9月11日提交的申請案號為12/208，502的共同未決的專利申請中示出，將其通過引用結(jié)合在此。裸片的最佳尺寸取決于芯片設(shè)計細節(jié)，以及用來制造裸片的半導體方法的產(chǎn)量。針對任何已知方法，從成本觀點來看存在一種最佳尺寸。若該裸片用來作為具有3伏特的驅(qū)動電壓的單一 LED，則必須在裸片上提供一個大電流，以將光輸出最大化。若裸片被分成N個串聯(lián)的較小LED區(qū)段，則驅(qū)動電壓增加了一個因子N，并且驅(qū)動電流降低了一個因子N，這提供了對于提供驅(qū)動電流的電源的效率以及在裸片內(nèi)的阻抗耗損的減少這兩者上的改進?！N用于將裸片分成多個部分LED區(qū)段的現(xiàn)有技術(shù)的方法涉及切割多個自裸片表面延伸到底部阻抗基板的隔離溝道，以將單獨的部分LED彼此隔離。然后利用提供導線將每個組件LED的n型層連接至相鄰組件LED的p型層上，以將單獨組件LED串聯(lián)。這些深溝道增加了裸片的生產(chǎn)成本，并且干擾了從裸片側(cè)面的光的提取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括光源以及制造該光源的方法。該光源包括一個基板以及沉積在該基板上的一個發(fā)光結(jié)構(gòu)。一個屏障體將該發(fā)光結(jié)構(gòu)分成彼此電性隔離的第一和第二區(qū)段。一個串聯(lián)電極將該第一區(qū)段與該第二區(qū)段串聯(lián)連接在一起。一個位于該發(fā)光結(jié)構(gòu)與該基板之間的第一阻擋二極管防止了在該發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)光時電流在該發(fā)光結(jié)構(gòu)與該基板之間流動。該屏障體延伸穿過該發(fā)光結(jié)構(gòu)并進入該第一阻擋二極管。在本發(fā)明的一個方面中，該基板包括一個半導體材料的過渡層，該過渡層對于該發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光是透明的。該屏障體包括一個延伸穿過該發(fā)光結(jié)構(gòu)并且終止于該過渡層的溝道。來自該第一區(qū)段的光可在這些區(qū)段之間經(jīng)過該過渡層。


圖I為區(qū)段型LED 60的俯視圖。圖2為圖I的該區(qū)段型LED 60沿2-2線的截面圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的GaN區(qū)段型LED光源的截面圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的區(qū)段型LED 70的俯視圖。圖5A-5C為在不同的制造過程階段的光源80的截面圖。圖6為根據(jù)本發(fā)明的光源的另一個實施方案的截面圖。
具體實施例方式在此參考圖I和圖2可更容易理解本發(fā)明提供其優(yōu)點的方式，這些圖展示了一個含區(qū)段型LED (segmented LED)的裸片。圖I為區(qū)段型LED60的俯視圖，并且圖2為圖I的區(qū)段型LED 60沿2-2線的截面圖。該區(qū)段型LED 60包括兩個區(qū)段64和65 ;然而從下列討論中將理解，從本發(fā)明的傳授內(nèi)容中可建構(gòu)具有更多區(qū)段的光源。該區(qū)段型LED 60是由同樣具有三層的LED結(jié)構(gòu)所建構(gòu)的，其中這些層于一個藍寶石基板51上生長。n型層52于該基板51上生長,然后活性層55和p型層53于該n型層52上生長。這些區(qū)段64和65由一個隔離溝道66分離,該溝道66從層52延伸至該基板51,由此電性隔離這些區(qū)段64和65。該隔離溝道66包括只有延伸進入部份該層52的一個平坦區(qū)(plateau) 67。該隔離溝道66的壁由一個絕緣層57覆蓋，并留具有一個開口區(qū)58，以供與每一區(qū)段相關(guān)聯(lián)的該層52的部分進行電接觸。該絕緣層57可由提供無針孔缺陷的絕緣層的任何材料所建構(gòu)而成，例如SiNx、SiOx或其他像是半導體器件制造中用來作為絕緣材料常用的介電膜。其他材料可包括聚酰亞胺、BCB、玻璃上旋涂物(spin-on-glass)以及半導體工業(yè)常用于器件平坦化的材料。
在該區(qū)段型LED 60的端部提供了類似溝道，如在68和69處所示的。一個串聯(lián)電極59沉積在該隔離溝道66內(nèi)，使得該串聯(lián)電極59經(jīng)由該絕緣層57內(nèi)的一開口區(qū)58接觸該層52。該串聯(lián)電極59也與相鄰區(qū)段內(nèi)的一個氧化銦錫(ITO)層56電接觸。因此，通過電極61和62提供電源時，這些區(qū)段64和65系以串聯(lián)的方式連結(jié)。結(jié)果是，該區(qū)段型LED60按一個常規(guī)的LED的兩倍電壓和一半電流來運作。應(yīng)指出的是，圖2并未依照比例顯示層52、53和55?？傮w而言，該層52比該層53厚很多，因為該P型材料由于所使用的GaN族材料而具有非常高的阻抗，因此該層的厚度盡可能薄，以避免該層內(nèi)的阻抗耗損。還應(yīng)指出的是，因為GaN材料層與周圍介質(zhì)之間有較大的折射系數(shù)差，所以活性層55內(nèi)產(chǎn)生的大部份光會在該層52和53內(nèi)被捕獲。通常來說，此光通過該裸片的側(cè)面以離開裸片，并且由一適當反射 器引導向上。因為該層52比層53厚很多，所以大部分這種水平前進光都在該層52內(nèi)。因此，穿過該層52的這些深溝道中斷這種捕獲的光的傳播。若該溝道內(nèi)的材料(即隔離溝道壁或?qū)w的材料)不透明，此光將會損失。甚至在該溝道填滿一種對光透明的材料的情況下，該材料與GaN材料之間的折射系數(shù)差還是會導致反射，這進而造成光損失。最后，如上所指出的，切割通過所有三層的深溝道使得制造成本增加。因此，有利的是提供一個區(qū)段型LED設(shè)計，其中上述深溝道并不用于隔離單獨的組分LED。原則上可減少該層52的厚度以減少這些溝道的深度。然而，此層還是具有補償LED材料與該基板51之間晶格常數(shù)差異所需的最低厚度限制。此外，減少厚度并無法解決該層52被該等溝道中斷而造成的光損失問題。現(xiàn)參照圖3，該圖為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的GaN區(qū)段型LED光源的截面圖。光源20只包括兩個組件LED，分別顯示為41和42 ;然而，可用類似方式建構(gòu)具有更多組分LED的光源。該光源20可視為建構(gòu)在一個復(fù)合基板43上的區(qū)段型LED 44。該復(fù)合基板43建構(gòu)在一個藍寶石基板21上，其中該藍寶石基板21上依序沉積一個n型GaN層22及一個p型GaN層23。該層22的厚度與傳統(tǒng)LED所使用的傳統(tǒng)n型GaN層的厚度一樣，因此提供了與此相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點，像是補償該藍寶石基板與各種GaN層之間的晶格失配。一個相反偏壓二極管由以下將討論的層24和層23所形成，而電流因此在光源運作過程中被阻擋流入層22中。該區(qū)段型LED 44由一個薄n型GaN層24、活性層25和p型GaN層26所構(gòu)成。一個電流擴散層27沉積在該層26上。該層27通常為IT0。光源20通過應(yīng)用電極32與33之間的電勢來供電。區(qū)段型LED 44的這些區(qū)段由一個溝道36而彼此分隔，該溝道36從層24_26延伸進入該層22中。因為并無電流可流過該層24與層23的接點處，所以該溝道不需要延伸到該藍寶石基板21。因此，可使用一個淺很多的溝道來隔離這些區(qū)段。此外，往側(cè)面?zhèn)鞑ネㄟ^該層22的光不再被該溝道以及該溝道內(nèi)沉積的任何材料中斷，像是提供結(jié)構(gòu)讓串聯(lián)電極31沉積的一個絕緣體39。因此，顯著地減少了與中斷水平方向的光流動所關(guān)聯(lián)的問題。原則上，該溝道只需要延伸至該層22的頂表面。然而，控制蝕刻率讓該溝道停止在該層22上呈現(xiàn)出了問題。因此，該溝道系稍微蝕刻進入該層22，如圖3所示，以確保阻擋電流的水平傳輸。在圖I和圖2所示的實施方案中，該電極59在該區(qū)段型LED 60的整個寬度上延伸。該區(qū)段65位在該電極59下方的部分并無生產(chǎn)力，因為該電極59下方產(chǎn)生的光會遭到該電極59阻擋并被吸收。這導致光轉(zhuǎn)換效率以及裸片表面運用率的降低，并且因此必須提供額外的裸片活性區(qū)域來補償此損失的區(qū)域而提高光源的成本?，F(xiàn)在參見圖4，該圖為依照本發(fā)明其他實施方案的區(qū)段型LED 70的俯視圖。該區(qū)段型LED 70與該區(qū)段型LED 60不同處在于寬的互連電極(wideinterconnect eletrode) 59已經(jīng)由多個串聯(lián)電極所替代,像是電極78和79。這些電極的寬度可以只有5-10微米，并且相隔大約150微米，并且因此覆蓋在該區(qū)段65上的面積遠小于該電極59的覆蓋面積。因此，上面討論的效率損失被顯著減小。此外，n型電極72和p型電極71已經(jīng)由窄電極取代，這些窄電極包括較寬的焊墊(wider pad) 71;與72'，這些焊墊用于引線接合至外部電路上。在一個優(yōu)選實施方案中，這些串聯(lián)電極相隔超過電極寬度5倍以上的距離，使得這些串聯(lián)電極覆蓋的面積明顯少于該區(qū)段型LED中被連接的這些區(qū)段的寬度。
所需串聯(lián)電極的數(shù)量取決于ITO層56的導電性。必須存在足夠的串聯(lián)電極以確保電流平均分散在該ITO層56之上。這些串聯(lián)電極的寬度由必須通過區(qū)段之間的電流量所設(shè)定，因此根據(jù)所使用的導體、該導體厚度以及串聯(lián)電極的數(shù)量而定。在區(qū)段65區(qū)域內(nèi)，未被串聯(lián)電極層所覆蓋的區(qū)域內(nèi)的隔離溝道77不需要絕緣層，因此下面的LED結(jié)構(gòu)接收了電力并且產(chǎn)生了有用的光?，F(xiàn)在參照圖5A-5C，這些圖為不同方法階段的光源80的截面圖。該方法通過在一個藍寶石基板81上生長不同的GaN層開始。這些層包括形成了一個復(fù)合基板82的層以及形成了該LED區(qū)段的層83。該復(fù)合基板層包括可減輕與GaN同藍寶石之間晶格失配相關(guān)聯(lián)的問題的一個n型GaN層82a，以及提供了一個電流阻擋層來防止電流在光源操作過程中流入該層82a中的一個p型GaN層82b。這些LED區(qū)段由在83a_83c處所示的三個層所構(gòu)成，換即，一個n型GaN層83a、一個活性層83b以及一個p型GaN層83c。該層83c和層82b的組合形成了一個相反偏壓二極管，該相反偏壓二極管防止了電流在光源操作過程中流入該層82b和82a中。應(yīng)指出的是，上面討論的每一層可包括多個子層。例如，該活性層83b通常包括多個由緩沖層分隔的量子井層。為了簡化討論，已經(jīng)省略了不同的子層，因為那些層是本領(lǐng)域內(nèi)常規(guī)的?，F(xiàn)參見圖5B，該圖展示了一個光源80，它已通過蝕刻這一個或多個隔離溝道來隔離用以串聯(lián)形成最終光源的各組分LED。該隔離溝道在84b處示出并且向下延伸至82a。額外溝道，如84a和84c所示，亦被切割為提供陽極與陰極接觸。然后將像是SiNx這類絕緣體的一帶圖案層沉積，以保護這些LED相關(guān)層的側(cè)面，并且隔離不產(chǎn)生光的區(qū)域，從而防止了電力浪費在這些區(qū)域上。現(xiàn)在參見圖5C。沉積該絕緣層85之后，沉積一個絕緣橋87并且在86處沉積一個ITO圖案化層。最后，以沉積圖案化金屬層的方式分別沉積陽極88、串聯(lián)電極89與陰極90。上述實施方案運用了一個單一相反偏壓電極以將下面的n型GaN層與這些LED區(qū)段隔離。然而，也可建構(gòu)其中在沉積LED區(qū)段層之前先沉積多個二極管的實施方案?，F(xiàn)在參見圖6，此圖為根據(jù)本發(fā)明的光源的另一個實施方案的截面圖。光源110包括兩個用類似上面關(guān)于圖5A圖5C內(nèi)所示實施方案所討論方式建構(gòu)的組分LED。光源110與上述實施方案不同處在于運用了兩個相反偏壓二極管來隔離n型GaN層115與LED。該第一二極管位于P型GaN層111與n型GaN層112之間的邊界處。該第二相反偏壓二極管位于p型GaN層113與n型GaN層114之間的邊界處。這些額外相反偏壓二極管提供了附加地隔離這些組分LED與下面的n型GaN基板，并且提供了增加的對抗靜電放電損害的防護，因為此時，使器件短路的放電電壓已因為加入這些相反偏壓二極管的擊穿電壓總和而增加。應(yīng)指出的是，只要一個漏電流的強度小于流過這些串聯(lián)LED的電流，則其便可在該等隔離的組分LED之間流動。為了討論的母的，若漏電流少于通過該連接橋流過這些串聯(lián)組分LED的電流的2 %，則定義這些組件LED已被該等相反偏壓二極管電氣隔離。上述實施方案使用GaN族材料。為了該討論的母的，GaN族材料定義為GaN、InN和AlN的所有合金組合物。然而，也可根據(jù)本發(fā)明的傳授內(nèi)容，構(gòu)建運用其他材料系統(tǒng)與基板的實施方案。 上述實施方案運用逆二極管安排，以阻擋在這些組分LED分隔的這些屏障體下方通過的電流。然而，亦可使用阻擋電流的任何二極管形式。上述本發(fā)明實施方案以及本發(fā)明概述被提供為說明本發(fā)明的不同方面。然而，應(yīng)理解的是，本發(fā)明的不同方面在不同的特定實施方案中示出，并且可以結(jié)合，以提供本發(fā)明的其他實施方案。此外，從上面的描述以及附圖中可理解本發(fā)明的不同的變更將變得明顯。因此，本發(fā)明只受限于以下的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種光源，包括 一個基板； 一個發(fā)光結(jié)構(gòu)，該發(fā)光結(jié)構(gòu)沉積在所述基板上； 一個屏障體，該屏障體將所述發(fā)光結(jié)構(gòu)分成第一和第二區(qū)段； 一個串聯(lián)電極，該串聯(lián)電極將所述第一區(qū)段與所述第二區(qū)段串聯(lián)連接在一起；以及一個第一阻擋二極管，該第一阻擋二極管位于所述發(fā)光結(jié)構(gòu)與所述基板之間；在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)光時，所述第一阻擋二極管防止了電流在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)與所述基板之間流動，其中所述屏障體延伸穿過所述發(fā)光結(jié)構(gòu)進入所述第一阻擋二極管。
2.如權(quán)利要求I所述的光源，其中所述基板包括一個半導體材料的過渡層，該過渡層對于所述發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光是透明的，并且其中所述屏障體包括延伸通過所述發(fā)光結(jié)構(gòu)并且終止于所述過渡層內(nèi)的一個溝道。
3.如權(quán)利要求I所述的光源，進一步包括一個第二阻擋二極管，該第二阻擋二極管位于所述第一阻擋二極管與所述基板之間；在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)光時，所述第二阻擋二極管防止了電流在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)與所述基板之間流動。
4.如權(quán)利要求I所述的光源，其中所述串聯(lián)電極包括橫跨所述屏障體的多個隔離的導體。
5.如權(quán)利要求2所述的光源，其中所述屏障體基本上不阻礙在所述過渡層內(nèi)行進的光。
6.如權(quán)利要求2所述的光源，其中所述串聯(lián)電極包括沉積在所述溝道內(nèi)的一個導電材料層，所述溝道具有一個絕緣層，該絕緣層防止了所述導電材料層直接與暴露在所述溝道內(nèi)的所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的多個壁相接觸。
7.如權(quán)利要求2所述的光源，包括一個絕緣層，該絕緣層位于處在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)上方的所述串聯(lián)電極的一部分之下。
8.如權(quán)利要求I所述的光源,其中所述半導體材料包括來自所述GaN材料族的多種材料。
9.一種用于制造光源的方法，所述方法包括 在一個基板上沉積一個過渡層，該過渡層包括一種具第一導電性類型的半導體材料； 在所述過渡層上沉積一個具相反導電性類型的阻擋二極管層； 在所述阻擋二極管層上沉積一個發(fā)光結(jié)構(gòu)； 產(chǎn)生一個屏障體，該屏障體將所述發(fā)光結(jié)構(gòu)分成第一和第二區(qū)段；并且沉積一個串聯(lián)電極，該串聯(lián)電極將所述第一和第二基板串聯(lián)連接，其中所述屏障體延伸通過所述發(fā)光結(jié)構(gòu)進入所述第一阻擋二極管層，所述阻擋二極管層在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光時防止了電流從所述發(fā)光結(jié)構(gòu)流入所述基板。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述屏障體是通過蝕刻出一個延伸通過所述發(fā)光結(jié)構(gòu)到達所述過渡層但是未到達所述基板的溝道來產(chǎn)生的。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中沉積所述串聯(lián)電極包括在所述溝道內(nèi)沉積一個絕緣層，并且在所述溝道內(nèi)在所述絕緣層上沉積一個導電材料層，所述絕緣層防止了所述導電材料層直接與暴露在所述溝道內(nèi)的所述發(fā)光結(jié)構(gòu)的多個壁相接觸。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述絕緣層位于處在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)上方的所述串聯(lián)電極的一部分之下。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述基板半導體層包括具有所述相反導電性類型的多個層，這些層被安排成使得所述多個層在所述發(fā)光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生光時包括多個串聯(lián)連接的相反偏壓的二極管。
全文摘要
在此披露了一種光源以及用于制造該光源的方法。該光源包括一個基板以及沉積在該基板上的一個發(fā)光結(jié)構(gòu)。一個屏障體將該發(fā)光結(jié)構(gòu)分成彼此電氣隔離的第一和第二區(qū)段。一個串聯(lián)電極將該第一區(qū)段與該第二區(qū)段串聯(lián)連接在一起。一個位于該發(fā)光結(jié)構(gòu)與該基板之間的第一阻擋二極管在該發(fā)光結(jié)構(gòu)發(fā)光時防止了電流在該發(fā)光結(jié)構(gòu)與該基板之間流動。該屏障體延伸穿過該發(fā)光結(jié)構(gòu)并且進入該第一阻擋二極管。
文檔編號H01L33/62GK102770976SQ201080064139
公開日2012年11月7日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月16日
發(fā)明者G·哈斯奈恩, J·拉默, S·D·萊斯特, S-y·胡 申請人:普瑞光電股份有限公司